平流層空域處于飛行高度最高的飛機(jī)和軌道最低的衛(wèi)星之間，加之其具有良好的電磁特性和非常穩(wěn)定的氣象條件，因此人們不斷地嘗試?yán)闷搅鲗语w艇作為可長(zhǎng)期駐空的平臺(tái)進(jìn)行通信、對(duì)地觀測(cè)、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)和預(yù)警等。由于飛艇具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可直升、可長(zhǎng)時(shí)間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點(diǎn)，被人們稱為“多功能航空器，因此世界各國(guó)都在飛艇方面開展了多種多樣的研究。
鑒于平流層高空飛艇組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，工程中利用低空飛艇對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證分析。由于低空飛艇所提供的升力有限，因此組合導(dǎo)航系統(tǒng)的小型化及經(jīng)濟(jì)化勢(shì)在必行。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了基于DSP+MCU的專用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。小型驗(yàn)證飛艇飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)可滿足實(shí)時(shí)性和精度的要求，為平流層飛艇的研制打下了基礎(chǔ)。
1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理
1．1 導(dǎo)航器件的特性
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)和慣性測(cè)量裝置組合的自主式空問基準(zhǔn)保持系統(tǒng)，在航天、航空、航海及陸地車輛上有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將其分為兩大類：平臺(tái)式和捷聯(lián)式。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)將慣性測(cè)量元件(陀螺和加速度計(jì))固連在載體上，省去了傳統(tǒng)的機(jī)電平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。其中，微慣性測(cè)量組合(MIMU)與傳統(tǒng)的慣性組合相比由于具有尺寸小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高和動(dòng)態(tài)性能好等一系列無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景也越來越廣闊，是當(dāng)今慣性技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。基于本系統(tǒng)的具體應(yīng)用領(lǐng)域。本組合導(dǎo)航系統(tǒng)選用捷聯(lián)式微慣性測(cè)量組合(SMIMU)。
CPS具有定位精度高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。介紹其工作原理的文獻(xiàn)比較多，在此不再贅述。
1.2 組合系統(tǒng)的狀態(tài)方程
選取狀態(tài)變量為慣導(dǎo)系統(tǒng)的各誤差項(xiàng)，系統(tǒng)采用東北天為其導(dǎo)航坐標(biāo)系．通過對(duì)系統(tǒng)的性能和各種誤差源的分析，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
1．3 量測(cè)方程
在位置、速度組合模式中有兩組量測(cè)值：慣導(dǎo)系統(tǒng)給出的經(jīng)度、緯度、高度信息和GPS接收機(jī)給出的相應(yīng)信息的差值；兩個(gè)系統(tǒng)給出的速度差值。利用這兩組差值可得SMINS/GPS組合的量測(cè)方程為：
實(shí)際載體中，將組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量得到的各種參量送入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)融合后對(duì)載體進(jìn)行相應(yīng)的控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
長(zhǎng)期以來捷聯(lián)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)一直采用X86為核心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，這不僅使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、功耗較高，并且程序效率和直接操作硬件的靈活性都受到影響。因此本系統(tǒng)中采用運(yùn)算精度高、接口資源豐富、成本低廉的高速DSP作為核心運(yùn)算單元。
2．1 主要硬件特征
本系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算任務(wù)由高速DSP完成，型號(hào)選用TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器——TMS320F2812芯片。該處理器采用程序與數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，提升了數(shù)據(jù)吞吐量。其頻率高達(dá)150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度及核芯片處理能力；集成了128KB的閃存、4KB的引導(dǎo)ROM及2KB的OTP ROM，可用于軟件開發(fā)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟件進(jìn)行升級(jí)時(shí)的簡(jiǎn)單再編程；優(yōu)化過的事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器、可編程通用計(jì)時(shí)器以及捕捉譯碼接口等；片上標(biāo)準(zhǔn)通信接口可為主機(jī)、測(cè)試設(shè)備、顯示器及其他組件提供簡(jiǎn)便的通信端口。這些特性使得TMS320F2812非常適合計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、對(duì)計(jì)算精度要求高、接口復(fù)雜的處理環(huán)境。
利用MCU完成數(shù)據(jù)采集、接口擴(kuò)展、電源開發(fā)和人機(jī)交互的功能，型號(hào)選為Cygnal公司的C8051F021。該芯片采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了指令運(yùn)行速度，最大速度可達(dá)25MIPS。其含有豐富的數(shù)字外設(shè)，包括4個(gè)8位I／0端口，可同時(shí)使用的硬件包括SMBus、SPI和兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口，5個(gè)通用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，專用的看門狗定時(shí)器。該芯片的時(shí)鐘頻率達(dá)到25MHz。作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的從處理器，該芯片能夠方便地?cái)U(kuò)展接口，實(shí)時(shí)采集各路傳感器信號(hào)。
2．2 基于DSP的系統(tǒng)硬件組成
基于DSP的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。慣性測(cè)量元件包括3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)。TMS320F2812帶有12位流水線的模，數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān)(MUXs)、采樣/保持(S／H)電路、電壓參考以及其他的模擬輔助電路。其模，數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)有16個(gè)通道．可以配置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B。因此陀螺儀與加速度計(jì)測(cè)量得到的角速度與加速度信息不必再通過外圍專門的模，數(shù)轉(zhuǎn)換電路，而是經(jīng)過一定的信號(hào)預(yù)處理之后直接送入DSP。這樣就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件重量及復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。GPS采集到的位置、姿態(tài)等數(shù)字量信息可以通過RS232串口送入DSP。
TMS320F2812所帶的SPI(串行外設(shè)接口)是一個(gè)高速同步的串行輸入/輸出口。SPI的通信速率和通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是可以編程的，它可以方便地用于和其他處理器之間的通信。 大量的導(dǎo)航計(jì)算由TMS320F2812完成，主要包括慣性元件的誤差補(bǔ)償、初始對(duì)準(zhǔn)、姿態(tài)矩陣計(jì)算、四元數(shù)計(jì)算、等效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量計(jì)算、速度位置計(jì)算和姿態(tài)計(jì)算、GPS數(shù)據(jù)與慣性數(shù)據(jù)的融合等。計(jì)算得到的飛艇姿態(tài)、位置等信息分別被送往數(shù)傳電臺(tái)、電動(dòng)機(jī)和MCU等裝置進(jìn)行相應(yīng)的操作。
C8051F021主要完成底層控制。根據(jù)TMS320F2812傳入的數(shù)據(jù)，對(duì)舵機(jī)和能源進(jìn)行相應(yīng)的控制；并且將實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)(速度、位置、姿態(tài))送入液晶顯示器，方便人機(jī)交互。對(duì)C8051F021的外部I／O端口進(jìn)行接口擴(kuò)展，完成相應(yīng)的控制任務(wù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
以第l節(jié)中介紹的INS系統(tǒng)的誤差方程為狀態(tài)方程，以GPS和INS的輸出誤差為觀測(cè)量，通過一定的算法對(duì)狀態(tài)誤差作出最優(yōu)估計(jì)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。現(xiàn)代的導(dǎo)航算法普遍采用卡爾曼濾波改進(jìn)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，參考文獻(xiàn)中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
軟件設(shè)計(jì)所采用的語言一般為C語言或匯編語言。在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的場(chǎng)合，一般采用C語言編程，而在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高或者頻繁與外設(shè)交換信息的場(chǎng)合，則利用匯編語言進(jìn)行編程。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。
4 試飛實(shí)驗(yàn)
利用某小型平流層驗(yàn)證飛艇進(jìn)行了試飛實(shí)驗(yàn)，其飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示。圖3(a)為飛艇起飛前的準(zhǔn)備階段以及飛行過程中的姿態(tài)角信息示意圖。由圖可見測(cè)量系統(tǒng)采集到9300個(gè)點(diǎn)左右，其在俯仰、滾動(dòng)角中有少量噪聲存在，這在系統(tǒng)誤差的允許范圍內(nèi)。點(diǎn)位為9200時(shí)的姿態(tài)角的跳變是由于艇降落時(shí)的非平穩(wěn)性而出現(xiàn)姿態(tài)的較大變動(dòng)。偏航角信息中角度的跳變是因?yàn)槠浇堑姆秶鸀?～360°，當(dāng)角度從接近360°繼續(xù)增加時(shí)，角度就會(huì)跳轉(zhuǎn)到0°附近，此時(shí)便會(huì)發(fā)生如圖3(a)第三個(gè)小圖中的跳變了。
為了分析問題的方便，將飛行過程中的最后880個(gè)點(diǎn)提取出來。圖3(b)為這一階段的載體姿態(tài)角信息示意圖，圖3(c)為這一過程對(duì)應(yīng)的飛艇飛行路線圖(起點(diǎn)為A，終點(diǎn)為B)。由圖中可以看出飛艇的滾動(dòng)角變化量很小，這符合實(shí)際情況；而偏航角的變化則可以明顯地體現(xiàn)出飛艇飛行航向的變化。圖中對(duì)最后階段的不穩(wěn)定過程也有十分精確的描述。
本文分析了小型平流層驗(yàn)證飛艇的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于DSP的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、能耗低，為搭載更多的有效載荷與功能擴(kuò)展提供了空間。對(duì)該組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度可滿足設(shè)計(jì)要求。